经过第一阶段的打击，战场态势有了新的变化。美第8集团军以美骑兵第1师、美第24、美第25师、美第3师、英第28旅、英第29旅、土耳其旅、南朝鲜第1师重兵布防汉城周围和汉江南岸地区。“联合国军”的东部战线显得很突出，而且那里都是南朝鲜军部队。彭德怀一眼看出志愿军歼敌的机会在东线出现了，于是决定转兵东线，以歼灭南朝鲜军为主要目标发起第二阶段作战。5月6日，中朝联合司令部下达战役第二阶段预备作战命令，决定以第9兵团为东线人民军前线指挥部所属部队首先集中力量，歼灭县里地区南朝鲜第3、第5、第9师（后加第7师），尔后视情况歼灭南朝鲜首都师、第11师；以第3兵团割裂南军与美军的联系，阻击美第10军不得东援。
为了迷惑李奇微，达到出其不意之效，志愿军采取声东击西之计，以第19兵团三个军和人民军第1军团，在汉城以北向汉城和汉城东西地区佯动，攻歼敌军营以下规模的部队，摆出要第二次进攻汉城的架式，以牵制当面的美军；以第39军到春川、华川地区进行整补，在加平至龙沼项间的昭阳江西岸做渡河准备，掩护第3、第9兵团主力秘密东移。
李奇微判断志愿军和人民军将以五个军在中西部发起新的进攻，目标直指汉江下游地区；同时以志愿军三个军和人民军一个军团在汉城方向实施助攻。对东部战线，李奇微的研判是志愿军和人民军可能集中五个军在春川——洪川一线实施小规模的进攻。
根据李奇微的命令，美第8集团军对部署进行了调整，集中美军六个师、英军一个旅、土耳其军一个旅、南朝鲜军三个师，以汉城为重点，一线密集配置；东线从勿老里至东海岸部署南朝鲜军六个师，也成一线配置；美第3师、美空降第187团、英第29旅，分别置于西线京安里、永登浦、金浦地区，为美第8集团军的预备队。
志愿军第19兵团和人民军第1军团在西线积极佯动，成功地将“联合国军”主要作战集团抑留在了西线。第3兵团、第9兵团大军稍事整补，于5月9日起在第39军的掩护下移兵东线。
1951年5月16日18时，东线志愿军和人民军各突出集团发起全线进攻，开始第五次战役第二阶段的作战。
志愿军第9兵团（欠第26军，附第12军），配属炮兵四个团，在宋时轮指挥下，在金雄指挥的朝鲜人民军第2、第3、第5军团的协同下，采取多路突破，多迂回包围的战法，向县里地区的南朝鲜军第3、第5、第7、第9师发起攻击。
志愿军第20军在军长兼政治委员张翼翔指挥下突破南朝鲜军第7师防御，该军第60师奋力穿插，其前卫第178团第5连在连长毛张苗的带领下，十二小时内经大小战斗十三次，前进30公里，及时抢占合围要点五马峙。毛张苗荣立一等功，获一级战斗英雄称号。第60师于17日晨顺利攻占后坪里、美山里地区，切断了县里地区南朝鲜第3、第9师南逃之路。人民军第5军团于17日午前切断了县里之敌东南逃路，与志愿军第20军对敌构成合围。南朝鲜第3、第9师被压缩包围在县里地区。
第27军在军长彭德清、政治委员曾如清指挥下向南朝鲜军第5、第7师的接合部攻击。担任迂回任务的第81师猛烈向敌纵深穿插。该师师长孙端夫亲自率领第242团第2营为先导，勇猛打破南朝鲜军的多次阻拦，一夜前进28公里，占领严达洞公路两侧高地和砧桥、坊内里各要点，切断县里之敌西南逃窜之路。孙端夫荣立二等功，第242团第2营获“穿插模范营”称号。第81师和第60师在在美山里、上南里地区将南朝鲜第5、第7师击溃，全歼五个营3000余人。第12军突破后歼灭南朝鲜第5师一部，在自隐里北侧与美第2师和法国营展开激战，担负迂回任务的第31师一个团插入敌纵深。
至17日晚，志愿军和人民军通过穿插分割已切断了县里地区之敌的退路，构成了对敌的内层包围。在志愿军和人民军强大攻势面前，南朝鲜军全线溃退，四散奔逃。
为争取更大胜利，彭德怀致电宋时轮、金雄：必须贯彻大胆迂回与分割包围，以达全歼敌人的作战思想，不放松白天作战的任何机会，争取全胜。根据这一指示，第27军第81师迅速抢占苍村里、三巨里，第12军第31师继续迅速向束沙里、下珍富里攻击前进，人民军第2军团主力继续向下珍富里以东前进。
18日晨，南朝鲜第3、第9师开始向南和东南两个方向突围。第20军和人民军第5军团从东西两面出击。战至19日，将南朝鲜这两个师大部歼灭，缴获其全部重装备。
南朝鲜军的惨败，使“联合国军”总司令李奇微大为光火，他撤销了南朝鲜第3军团的建制，解除了南朝鲜第3师师长的职务。李奇微还对南朝鲜损失大量武器装备感到恼火，他感叹说：“所丢弃的这些武器不可等闲视之，这些武器装备足可装备好几个整师。”
第3兵团第15军在军长秦基伟、政治委员谷景生指挥下发起攻击后，第45师攻占沙五郎峙，歼灭美第2师200余人；第44师插向敌纵深，将在大水洞露营的美第2师第38团团部和第1、第2营大部歼灭。由于美第2师和陆战第1师在寒溪里——都十里一线继续顽抗，第15军前进受阻，未能进一步实现战役割裂任务。在这种情况下，第3兵团命令第60军第179师机动到春川以东，增强第15军方向上的突击力量。但由于敌主力已经靠拢，这一企图也没有实现。第60军的第180师积极进攻，于19日夜占领法所里，牵制当面之敌美军第7师，使其不得东援。
在东线歼敌的同时，西线第19兵团也对当面之敌发起进攻，歼敌一部，配合了东线的作战：
东线南朝鲜军在志愿军和人民军各突击集团的打击下，撤退到九成浦里——丰岩里——下富珍里——铁甲岭——仁邱里一线布防，“联合国军”的防线出现缺口。美第8集团司令范佛里特急令美第10军主力逐次东移，以阻止志愿军和人民军向西发展进攻；令集团军预备队美第3师迅速东援，堵塞战役缺口；令南朝鲜军战略预备队第8师立即从大田北上平昌、堤川，建立纵深防线。同时，令美第1军三个师又三个旅在西线加强对志愿军第19兵团的进攻，以减轻东线的压力。至5月20日，“联合国军”又重新形成了东西相衔接完整防线。
到这时，志愿军已在一个月之内连续进行了两次作战，部队相当疲劳，粮弹将尽，而且雨季又快到来，江湖沼泽在我后方，一旦山洪暴发、交通中断，部队补给将更加困难；此役未能消灭美军师、团建制单位，敌还有北犯可能，在这种情况下，若继续进攻，不仅不易消灭敌人，而且反而会增加自己的困难，不如后撤休整，寻机歼敌，更为主动。5月20日，负责东线指挥的志愿军第9兵团司令员宋时轮、副司令员陶勇和第3兵团副司令员王近山致电彭德怀、邓华、朴一禹，汇报了面临的情况，提出了收兵的建议。彭德怀同意前线指挥员的分析和建议，并将情况报告毛泽东。毛泽东于5月21日复电彭德怀：“根据目前的情况，收兵休整，准备再战，这个处置是正确的。”
21日，第五次战役第二阶段作战结束，志愿军和人民军歼灭南朝鲜第3、第9师大部，重创南朝鲜军第5、第7师，并歼灭美第2师、陆战第1师各一部，共计歼灭南朝鲜军和“联合国军”23000余人。